各种地球物理勘探方法在查找地下洞穴中的应用研究

各种地球物理勘探方法在查找地下洞穴中的应用研究
孙跃军
（广东省地质物探工程勘察院广州510800）
摘要：本文通过对各类地下洞穴探测的总结分析和研究，根据物性差异、勘查目的和要求及场地条件等方面的不同，设计出相应的地球物理勘探方法和手段，并通过工程实例进行了论证说明，进而得出地下洞穴探测的最佳方法和手段。

关键词地球物理勘探采空区岩溶路面脱空防空洞方法选择
1. 引言
在一些工程建设、矿产资源开采和环境评估中，常会遇到各种不同类型的地下洞穴，使得项目的安全和质量受到极大的影响。

因此，项目的设计施工前都必须查明场地内地下洞穴的规模及分布情况。

地下洞穴有天然生成的，比如溶洞、土洞等；也有人为因素而成的，比如采空区、防空洞等。

地下洞穴有的存在充填物（水、流塑状物质等），有的为空洞。

因此地下洞穴与周围岩土层存在明显的物性差异，可采用地球物理勘探方法进行探测。

但由于场地条件、勘察目的及方法本身的局限性等方面的原因，对不同类型的地下洞穴采用的物探方法也存在差异。

2. 采空区的探测
2.1 采空区的地球物理特性
存在矿产资源的地层由于成因不同而表现出不同的分布状态，多呈现为层状沉积，表现为层状展布。

当矿脉被开采后形成采空区，破坏了原有的应力状态，使原有地层错动、产生裂缝、发生塌陷等。

一般情况下，采空区表现为两种形式：当开采时间较短或支护措施较充分时，其矿脉层顶板为塑型岩石并保存完整，部分压力转移到地层上，未引起地层塌落、变形，采空区以不充水或充水的空洞形式保存下来；当采面较大或开采时间较长时，采空区在重力和地层应力作用下，顶板塌落，形成冒落带、裂隙带和弯曲带等，使得采空区被上层塌落的松散物充填而地球物理特征发生变化，导致塌落带上部地层的特性也发生了变化。

2.2 探测方法选择
对于采空区的探测方法有浅层地震法、电法、瞬变电磁法等。

一般来说，存在矿脉、煤田等矿产资源的地层地质构造和岩性都很复杂，开采前高低阻体就较多，采用
依靠电性差异进行勘探的电磁类物探方法对采空区的异常反映较为复杂，较难分辨真假异常，因此浅层地震反射波法才是最好的复杂地层采空区的勘探方法。

地震波中含有大量的地质信息，地层构造、岩性变化、矿脉厚度变化、分岔合并等均会引起地震波的变化，其变化主要包括密度、速度及其它弹性参量的差异，这些差异导致了地震波在传播时间、振幅、相位、频率等方面的变化。

当采空区未被充填时，矿脉反射波消失；当上覆地层塌落、回填，则采空区的反射波凌乱、一定范围内的反射波同相轴向下错动，呈现出松散、塌落的形态。

在解释采空区时，以波形变面积显示的时间剖面为主，结合彩色剖面显示识别采空区。

重点放在标准反射波同相轴的消失、变弱、强相位转换及在采空区边界处绕射波振幅的强弱变化等多种因素，来确认采空区的存在及其范围。

2.3 实例分析
工区概况
广东省高要市长坑金矿在二十世纪九十年代进行过开采，为了评估矿产剩余储量，进行了本次物探。

因此本次物探主要目的和任务是查明采空区走向及其埋深，为评估矿产剩余储量提供有力的依据。

据地质勘测资料，场地岩土层主要包括：a. 第四系（Q）土层：主要为洪冲积、残坡积层和填土等组成，厚度0～10m，平均约3m；b. 石炭系灰岩（C1Z）：分布于全区，工区西北角出露，其它地方被覆盖，该层岩溶发育，厚度10～100m；c. 三迭系泥岩、砂岩、页岩（T3xly和T3xf）：裂隙发育，且多为方解石脉充填；d. 断裂破碎蚀变带：主要由硅化岩、灰岩组成，裂隙发育，且充填，导水性差；e. 金矿体。

地球物理特征
区内各主要矿脉埋藏较浅，厚度在0~100m之间，与围岩能形成较好的波阻抗界面，形成较好的反射波。

由于矿脉采空区被空气或水填充，而地震波在空气或水中传播的速度比在矿脉中传播的速度要低得多( 地震波在空气中传播的速度约为340m／s、在水中传播的速度约为1400m／s、在矿脉中传播的速度在3000m／s以上)，故产生的反射波相位会有所延迟，所以把在连续的矿脉反射波发生显畸变的地方解释为采空区。

资料处理与成果推断
资料的处理流程如下：
解编→预处理→静校正→叠前滤波→干扰切除→道间平衡→抽CDP道集→速度分析→动校叠加→叠后滤波→修饰处理→剖面打印→初步解释→成果图输出。

推断采空区的推断主要依据：①、存在弧形地震波组；②、地震波组突然出现错
断或杂乱；③、波组振幅在一定走时以下突然减弱甚至歼灭。

如图1所示的A线259-396段时间剖面，T1波组时间在10ms~40ms之间变化，反映了覆盖层的深浅变化，中间部分不连续表示地层的起伏过大、错断缺失或存在局部异常体等，并且受到采空区影响在40ms以后的地层信息反映较差。

在点号320～349、350～370、371～396段分别出现弧形地震波组，尤其是在320～349、371～396段弧形异常明显，原地层波组几乎缺失，289～396段120ms以下的地震波振幅明显减弱甚至歼灭，因此结合地质资料可以推断280～396段存在一个大的采空区，深度范围在20～80m之间。

图1 A线纵波反射时间剖面图
如图2所示的L08-1线时间剖面，T1波组时间在20ms~40ms之间变化，反映了覆盖层的深浅变化，地层基本连续。

在点号182～277、227~272段出现明显的弧形波组，结合地质资料可以推断182～272段存在采空区，宽度约90m，厚度在30～70m之间。

图2 L08-1线纵波反射时间剖面图
综上所述并通过钻孔验证，说明浅层地震反射波法对采空区的探测是非常有效的一种物探方法。

根据不同情况可以采用综合物探的方法会更精确地查找出目的体。

3. 岩溶的探测
3.1 岩溶的地球物理特性
岩溶一般存在灰岩地区。

当灰岩遭受强烈溶蚀作用将发育溶洞，在地下水作用下，上覆土层中的砂土沿溶洞通道被带走，即在土层中发育土洞。

土洞和溶洞内一般存在充填物。

溶洞内充填物与周围岩体之间存在明显的物性差异，土洞内充填物与覆盖层之间也存在一定的物性差异。

3.2 探测方法选择
对于岩溶探测的主要方法有电法、弹性波CT或电磁波CT、管波探测和探地雷达等。

对各种探测方法的选择因勘察阶段不同而不同，一般来说在场地普查阶段，常采用电法中的复合联合剖面法，在场地初勘阶段常采用高密度电法或高密度单点测深法，在在场地详细勘察阶段常采用弹性波CT或电磁波CT，在桩位超前钻或施工阶段常采用管波探测。

如果覆盖层较浅（5m以内），还可以采用探地雷达直接对场地进行扫描。

其中管波探测是一种最新的针对桩位岩溶探测而发明的方法，可探测出孔旁的岩溶发育情况，精度相当高，可为桩基的设计提供最可靠的地质依据。

3.3 弹性波CT实例分析
3.3.1 工区概况
广州白云国际会议中心场地（原东方乐园）根据区域资料，探测地段位于广花盆地内，地层走向为北东，倾角约60°，区域性活动断裂—广从断裂场地外围通过。

场地岩土分层主要有填土层、冲洪积层、残积层及下伏石炭系灰岩、炭质页岩、砂岩。

基岩主要为石灰岩，且不同程度地发育有土洞及溶洞。

3.3.2 地球物理特征
场地发现溶洞、土洞，溶洞内一般有充填物。

鉴于溶洞位于地下水水位以下，溶洞内充填物一般饱和含水，溶洞内无充填物的部分一般充填有水。

溶洞内介质的纵波波速Vp在1500～2000m/s之间。

溶洞外介质一般为灰岩、炭质灰岩，介质的纵波波速Vp在4000～6000m/s之间。

溶洞内外介质存在极为明显的波速差异。

根据岩溶发育的一般规律，本区可能有土洞发育。

鉴于土洞位于地下水水位以下，土洞内必然充填水。

土洞内介质为水，纵波波速Vp=1500m/s。

如土洞内介质为流塑状软土，则纵波波速Vp=1400~1600m/s。

土洞外介质为饱和含水的第四系土层，纵波波
速Vp 在1800～2000m/s 之间。

土洞内外介质存在一定的波速差异。

3.3.3 资料处理与成果推断
跨孔弹性波CT 成像资料的处理流程如下：
抽道集→检查激发点道集→初至时间拾取→初至时间检查→射线平均波速计算→初始速度模型预测→CT 反演→波速影像图绘制→综合地质解释剖面图绘制。

成果推断的主要依据见表1：
以 L02测线后半段（即
WTZK14至WTZK18剖面）为
例。

如图3，波速影像图中红色
区域（高速区）与绿色区域（低
速区）之间的分界线与钻孔中的
灰岩顶面具有很好的对应性。

由此推断，波速影像图红色与绿色之间的分界线即为灰岩顶面，零星红色小块为孤石或风化岩块。

在波速影像图中，红色区域（高速区）中出现非红色区域与钻孔揭露的溶洞具有很好的对应性，如WTZK17孔-12.67～-13.67m 段和WTZK18孔-9.78～-11.38m 、-11.98～-14.28m 和-17.38～-20.88m 段。

由此推断，波速影像图红色区域（高速区）中出现非红色的区域即为溶洞，绿色区域（低速区）出现的蓝色区域即为土洞。

图3 L02线跨孔弹性波CT 反演波速影像及综合地质解释剖面图
各岩土层反演波速范围一览表 表1 层号
岩土层 波速范围（m/s ） ③2 粉质粘土、含炭粉质粘土 1600～1800 ③3 粉质粘土 1700～2000 ③4 粉质粘土、含砾粉质粘土、含碎石粉质粘土 1800～2100 ⑤ 强风化岩 1900～2200 ⑦1 微风化岩 3500～5500
本次探测基本查清了场地的岩土分层及土、溶洞等不良地质现象的分布和发育特征，较好地反映了场地的实际地质特征，为场地土、溶洞勾画出一幅较为清晰的图像。

3.4 高密度电法实例分析
广州市花都区赤坭镇岩溶塌陷测区处于广花盆地碳酸盐岩地区。

根据区域地质资料，测区位于花县复向斜褶皱构造的次一级背斜部位，地层主要由第四系冲积层（Q）；
石炭系下统测水组（C
1dc）；石磴子组（C
1
ds）；岩关阶孟公坳组（C
1
ym）。

地层主要有第
四系冲积层（Q）：为冲积、冲洪积相灰黄色粘土，粉质粘土，灰黑色淤泥、淤泥质土，砂土，局部夹砂层土，厚度8～35m不等；下伏石炭系灰岩，岩溶发育。

溶洞、土洞受到地下水活动影响，而产生地面塌陷等地质灾害现象。

地球物理特征
第四系覆盖层一般饱和含水，电阻率较低；完整的微风化灰岩电阻率极高。

如果灰岩遭受强烈溶蚀作用，即发育溶洞，溶洞内充填物电阻率将明显低于周围岩体，与覆盖层电阻率相当。

高密度电法按下列步骤进行处理：
参数数据输入→视电阻率测量→数据检查→数据转换格式→绘制ρ
s
曲线类型图、
绘制等ρ
s
断面图、用最小二乘法反演→CAD成图→物探地质解释→剖面输出→完成。

成果推断可通过以下三种手段进行：
a.测深类型曲线解释：电测深ρs曲线上的低阻异常，一般情况下预示着有低阻地质体的存在，而岩溶（包括土洞、溶洞、溶蚀裂隙等）洞穴充填水或流塑状土等物质，其视电阻率（ρs）往往明显下降，从而形成低阻异常，对应ρs等值线图或反演断面图呈低阻闭合圈或舌状分布，一般为岩溶发育的反映。

当然，这些低阻异常也有可能由炭质或其它不明干扰引起。

b. 等ρs断面图解释：作为岩土分界线的基岩面，在等ρs断面图解释上一般表现为界面可以连续追综、相邻等值线上下间距发生蔬、密变化明显处；岩溶则表现为在平缓的等值线段中突然发生畸变，呈陡坎、凹陷、低阻封闭圈等特征。

因此，若异常变化在岩土分界线以上深度，则解释推断为土洞或软弱土层；若异常变化在岩土分界线以下深度，则解释推断为溶洞或裂隙发育。

如图4所示。

图4 D1测线等ρs断面图
c. 视电阻率反演断面图解释：视电阻率反演经过软件多个参数合理设置、至少3次以上拟合生成，均方误差控制合理。

视电阻率反演断面图的异常一般表现为带状，带内视电阻率为低阻值，即岩溶发育。

如图5所示。

图5 D1测线ρs反演断面图
本次工作遵循物探勘察从点至线到面的解释推断原则，逐点、逐线进行了解释推断，根据物探异常在平面上的分布特征，最终对整个测区综合归纳解释，推断划分了66条物探异常带，根据其分布情况及岩溶发育的强弱程度，划分强、中、弱岩溶发育区。

圈定的物探异常带定义为存在土洞、溶洞、裂隙发育、塌陷的集合，属不良地质体较密集的区域。

3.4 管波探测法实例分析
管波探测法简介
管波探测法由广东省地质物探工程勘察院工程技术人员在长期的工程实践中发明，2007年荣获广东省科技进步二等奖，被广东省建设厅列入“广东省建设行业科技成果推广项目”。

是在钻孔中利用“管波”这种弹性波探测孔旁一定范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体的最新孔中物探方法。

通过在桩位中心的一个勘察钻孔，进行管波探测，即可快速探明桩位范围内的岩溶、软弱夹层及裂隙带的发育和分布情况，评价嵌岩桩基桩持力层的完整性，为桩基设计提供直接依据，并可指导基桩施工。

3.4.2工区概况
广州至贺州高速公路广西灵峰（桂粤界）至八步段三步梯特大桥位于贺州市贺街镇三步梯村内，全长1393.32m。

上部结构拟采用预应力混凝土现浇箱梁，基桩共有288根。

据工程地质调绘及钻探工程揭露，桥址区地层结构上部为第四系人工填筑土、种植土(Q4ml)，冲洪积层(Q4al+pl)，坡残积层(Q4del)，下伏基岩为泥盆系东岗岭组（D2d）砂岩、页岩、炭质页岩；灰岩、泥灰岩等。

岩溶极为发育。

3.4.3 管波探测原理
根据波动理论，在充满液体的钻孔中，任何扰动，都会产生沿钻孔轴向传播的管波（司通莱波），管波在孔液和孔壁外一定范围内传播。

管波在传播过程中，在存在波阻抗差异（波阻抗Z为介质的弹性波速度V与介质密度的乘积）的界面处发生透射和反射，反射波的振幅：
A=A
0R， [ R=(Z
1
-Z
2
)／(Z
1
+Z
2
) ]
其中A
0为入射波的振幅，R为界面的反射系数，Z
1
、Z
2
为界面两侧介质的波阻抗。

反射波的振幅的强弱反映了界面的波阻抗差异。

在剖面中存在明显的倾斜反射波组的位置，必定存在波阻抗差异界面。

对灰岩地区，波阻抗差异界面即为孔中、孔旁溶洞边界或软弱夹层顶底界面。

管波探测法的原理就是通过分析反射管波的波幅特征，探测波阻抗差异界面，通过对界面的解释，推断孔旁溶洞或软弱夹层的发育情况。

根据波动理论中的半波长理论，管波探测法的探测范围为以钻孔中心为圆心，半径为管波波长的1/2的圆柱状空间。

考察管波探测时间剖面，各钻孔中管波的波长均不相同，但总体上，约在1.6～2.4m之间，即管波探测法的探测半径为0.8～1.2m。

3.4.4成果资料推断
根据管波探测法的探测原理，结合钻孔揭露的岩土分层情况，对发现的波阻抗差异界面进行地质解释，找寻孔中及孔旁岩溶边界或软弱夹层顶底界面。

其判别准则如下：a、无倾斜反射波组的基岩段为完整基岩段。

b、存在振幅较大的倾斜反射波组的位置，一般为孔中、孔旁溶洞的边界，或钻孔穿过波阻抗差异较大的软弱夹层。

c、存在振幅较小的倾斜反射波组的位置，同时直达波速度较大时（直达波同相轴平直），一般为钻孔穿过存在波阻抗差异较小的软弱夹层。

d、存在振幅较小的倾斜反射波组的位置，同时直达波速度较小时（直达波同相轴向下弯曲），一般为孔旁岩石裂隙发育。

根据上述判别准则，管波探测法将孔旁岩土层进行了分类，详见表2。

孔旁岩土层物探分类一览表表2
如图6所示，由三步梯特大桥左7#3-1#桩位管波探测成果图可看出钻孔有溶洞的位置，必存在管波异常，说明管波对溶洞有明显的异常反映。

由此类推，可详细查明桩位范围内的岩溶发育情况。

图6 三步梯特大桥左7#3-1#桩位管波探测成果图
通过在桩位中心的一个勘察钻孔，进行管波探测，即可快速探明桩位范围内的岩溶、软弱夹层及裂隙带的发育和分布情况，评价嵌岩桩基桩持力层的完整性。

“管波探测法”与“一桩多孔”的桩位勘察方式相比较，前者比后者节省勘察成本，且建设工期、建筑物安全和稳定性更有保障。

4、防空洞探测
4.1 防空洞的地球物理特征
防空洞一般无充填物，外围由混凝土或红砖砌成，其走向和规模有一定规律。

防空洞与周围地层存在明显的物性差异。

4.2 探测方法选择
防空洞的探测一般采用高密度电法、探地雷达和瑞雷面波法等。

对混凝土的防空洞高精度磁测也有一定的效果。

4.3 实例分析
珠江地产江门帝景湾二期工程场地面积约26000m2，其中建筑占地面积约11000 m2，根据现有资料表明，场地内分布有防空洞。

场地表层为粉质粘土等，下伏全、强风化片岩。

本次探测的防空洞基本位于强风化片岩内。

地球物理特征
防空洞内填充空气，为绝缘体，而防空洞围岩片岩的电阻率一般在500～2000Ω·m。

瑞雷面波在片岩中传播速度在200~2000m/s，不能在空气中传播，则瑞雷面波在基岩与防空洞界面产生较好的频散现象，测量频散曲线则会出现频散突变点。

资料处理与成果推断
瑞雷面波的数据处理流程：
切除干扰波→拾取瑞雷面波→谱分析→频散曲线计算→频散曲线打印→正反演计算→计算机成图→成果解释。

瑞雷面波频散曲线的异常反映特征：在地质体密实完整时，瑞雷面波频散曲线是连续、圆滑的。

而在波阻抗突变的地方（防空洞顶界面），频散曲线会发生畸变（离散、开口、脱节型`或锯齿状）。

如图6，瑞雷面波在L02测线158-159号点频散曲线在5.2m
深度出现突变甚至歼灭，此突变明显
为防空洞引起。

因此瑞雷面波对防空
洞的解释则以此为依据。

防空洞在高密度电法剖面中会
呈现高阻异常，但是由于防空洞边缘
潮湿或者部分区域被某种导电体填
充则防空洞的异常幅度会减弱，因此对防空洞的推断结合了平行测线的异常分布及前
期地质资料。

三期15号钻孔在L03测线58号点位置，该钻孔在深度5.0~7.8处见防空洞。

高密度电法在该处测得明
显高阻异常，推断防空洞中心位于该
测线58号点处，洞顶深度为5m左图
右，如图7所示。

由此方法推断则可解释其它的物探异常。

根据前期的地质资料和防空洞的大致走向，把本次物探异常点投影到平面图上就勾画出了场地内的防空洞的平面分布和走向，直观有效地查明了场地内的防空洞。

所测得的防空洞视电阻率及面波速度，并没有像理论中那样规则，这是由于物探
方法所测量的值只是对某一深度范围内地质体的综合反映。

5、路面、坝体脱空区探测
5.1 路面、坝体脱空区的地球物理特征
路面和坝体等由于支撑土体在地下水作用下发生松动，脱空等现象，对路面和坝
体有严重的危害。

发生松动或脱空的路面和坝体与正常的建筑结构和地层存在明显的
物性差异。

5.2 探测方法选择
检测路面和坝体等混凝土下土层是否发生了松动，脱空等现象，一般选择探地雷达的方法。

5.3 实例分析
白盆珠水库（西枝江水利枢纽工程）位于东江支流西枝江上游惠东县境内，是一座以防洪为主，结合发电、灌溉、及改善航运等综合利用的大型水利枢纽工程。

水库由主坝（砼大坝）、副坝（土坝）及电站等组成，水库正常蓄水位76.0m，水库总库容11.9亿m3，属I等大(1)型工程。

由于地下水等因素的作用使副坝填土产生土体流失、下沉，从而形成砼防浪护板与副坝填土之间反滤料有脱空、空洞现象。

地球物理特征
工区内主要存在四种地下介质：砼防浪护板层、卵石层、坝体填土层和空洞。

各种地下介质介电常数大致如下：砼防浪护板层的相对介电常数约为6.4；坝体填土层（以粉质粘土为主）的相对介电常数约为10；空洞或脱空，如充填空气，则其相对介电常数与空气接近，约为1；卵石层，主要由大小不一的卵石组成。

如卵石间空隙发育，则其相对介电常数与空洞接近；如卵石间已被泥土、沙砾充填，则其相对介电常数与填土层接近。

根据以上情况，空洞或脱空与砼防浪护板层和卵石层、填土层存在较为明显的介电差异，为探地雷达提供了有利的地球物理前提条件。

资料整理与成果推断
探地雷达资料处理一般为：现场数据采集工作结束后，即对资料进行整理及初步处理，内容有：校核班报记录与磁盘文件，回放图像记录，对记录进行增益调整、滤波等初步处理，进行记录质量初评，分析现场采集数据过程所用方法及参数是否达到或接近最佳，并对记录进行初步解释。

雷达资料采用与仪器配套的后处理软件进行分析解释，处理试验包括：振幅调整、频谱分析、垂直滤波试验与水平滤波试验、反褶积试验和偏移试验等，主要用于抑制随机噪声，压低非目的体的杂乱回波，改善图像质量。

根据经验，确定电磁波在介质中传播的电磁波速度，V≈0.12m/ns，用此速度进行时深转换。

对物探异常进行解释推断，是根据已知地段的雷达异常特征来推断空洞、卵石层
空隙及分层界面松散、不密实等不良地质体。

空洞一般是在地下水等因素的作用下，引起土体流失、下沉而形成，具有一定规模，分布极不规则。

图8是L07测线113.5m处探地雷达时间剖面图。

从图像上看，0～0.22m段属中等强度反射段，基本可连续追踪的反射波同相轴为砼防浪护板底界的反映。

0.83m～1.05m同样存在一组可连续的追踪的反射波同相轴，推断为卵石层底界的反映。

在113.5m处，存在一组顶板深度为0.67m底板深度为0.82m的双曲线形（弧形）反射波异常，推断为空洞的反映。

图8 雷达探测的空洞或空腔异常
图9为L06测线215.3m处的异常探地雷达时间剖面图。

从图像上看，异常的形态与图3有相似之处，在水平方向上有一定的范围，同相轴较为杂乱。

这主要是此处卵石层出现了松散形成不密实填充，与周围卵石层在密度上存在了差异，从而形成图4标出的异常形态。

推断这类异常由介质松散、不密实引起。

图9 雷达探测的松散、不密实异常
本次探地雷达探测详细查明工区内分布的空洞和脱空情况，深度1.5m以内，探测的最小分辨率约为5cm。

空洞洞高范围3.3cm~36.18cm，基本为孤立的小洞穴，且规模较小；空隙及松散不密实高度范围为4.86cm~17.28cm。

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作者简介：孙跃军，男，1973年生，中国地质大学（武汉）毕业，高级工程师。